吳晉安、郭信良、張勝隆 / 工研院材化所
在全球塑膠產品造成環境及生物危害的議題持續發酵下，生物可分解材料被期望應用於不易回收之一次性產品或包裝上，在使用後能藉由微生物的分解而回到大自然。但是為了在材料性能與分解性上取得平衡，目前商業化的生物可分解材料PLA/PBS/PBAT皆需以工業堆肥方式處理而受到場域上的限制。本文將針對常溫生物可分解材料設計概念及膜材加工特性之改質技術進行說明，並建構微生物快速篩選平台，縮短材料開發時程。
【內文精選】
前 言
自工業革命到商業化發展以來，隨著人類的生活方式改變，塑膠材料的使用帶來生活便利性，其產量在1964年至2015年間增長了200倍。因取得容易且價格便宜，大量使用所產生的塑膠汙染也日趨嚴重，目前統計全球累積高達83億噸的塑膠類製品，超過32%的塑膠製品不在回收/掩埋/燃燒等收集系統中，多數透過水源系統的轉移最後流進大海，造成莫大的環境與生態衝擊。為了避免塑膠大量使用後的處理不當或不易回收而棄置造成環境對生物的反噬，全球皆訂定相關限塑/減塑發展策略，主要可歸納為下列三大重點：①可堆肥材料的使用；②材料回收再利用高值化及材質輕量化；③易拆解材料重新設計開發與創新。其中針對一次性使用且使用後不易回收處理的塑膠製品，如塑膠袋/吸管/拋棄式餐具等，以生物可分解材料(Biodegradable Material)取代則為市場發展趨勢。目前已商業化的生物可分解塑膠以PLA/PBS/PBAT為主。
可調控分解速率之新型聚酯複材開發
生物可分解高分子一般為主鏈上具有可水解結構的聚酯，因此可經由水解作用降解至小分子量的寡聚物，使材料易進行初步的崩解並增加微生物作用表面積，進而促使生物分解機制發生。故在進行創新生分解材料的設計上，是先以分子結構水解鍵能模擬計算結果為基礎，篩選出適合的二酸與二醇單體作為重複單元結構設計基準。工研院材料與化工研究所研究團隊與學界合作，利用密度泛函理論(Density Function Theory)進行不同結構酯基之水解活化能理論計算，其結果整理於表二。
因此本研究所開發之創新生分解材料為利用PBS以及具有高分解特性與機械物性的多醣寡聚物(如CelluloseOligomer)進行混煉，以達到可調控之水解/分解速率及提高機械物性與耐熱性的目的。然而，未經改質的多醣寡聚物親水性高且自身氫鍵作用力強容易聚集，故與PBS相容性不佳。首先需藉由酯基或環氧基來與纖維素寡聚物側端部分的OH基反應，以降低其氫鍵作用並提高與PBS的混煉分散性；並調控纖維素寡聚物鏈段(親水特性)與PBS鏈段(疏水特性)的比例來調控分解速率，如圖二所示。
圖二、可調控生分解速率之創新材料結構設計
PBS(X)之流變性質分析與吹膜加工驗證
除了機械特性與結晶行為的分析之外，研究團隊也同步製備較多量之PBS(X)樣品以進行吹膜加工驗證。為了更瞭解纖維素寡聚物對於PBS之加工性質的影響，也進一步研究其流變性質，將PBS商品料與纖維素寡聚物(3 phr, Mw 2,000)透過雙螺桿押出機進行熔融混煉、抽條與造粒製程。
最後利用吹膜機將PBS(X)粒子吹製成薄膜樣品PBS(X)-BF2，主要的工藝技術是將料筒外部加熱至140˚C並使粒子融化，接著熔融的塑料經過濾去除雜質後再從模口出來吹脹，並經過特定溫度的風環冷卻定型後，由捲取裝置將成品薄膜捲成筒，如圖七所示，薄膜厚度最低可達20 μm，吹脹比(Blow-up Ratio)接近3.0。整體而言，由於相容性改善，PBS(X)-BF2具有極佳的吹膜穩定度與薄膜均勻性。後續則將…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、PBS(X)-BF2吹膜過程 (a)經模頭模口吹脹外觀；(b) PBS(X)-BF2經牽引機之牽引外觀；(c)
PBS(X)-BF2經捲曲裝置外觀與PBS(X)-BF2薄膜外觀
★本文節錄自《工業材料雜誌》418期，更多資料請見下方附檔。